CN206413229U - 基于人体生物节律的智能调色平板灯 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开基于人体生物节律的智能调色平板灯，所述平板灯包括LED灯珠和单片机，所述LED灯珠由暖色调灯珠和冷色调灯珠两路组成，所述单片机的输出PWM1端与LED调光驱动电源输入调光端子连接，所述LED调光驱动电源的正输出端并连两路灯珠的正极，两路灯珠的负极分别接在两个场效应管的漏极上，两个场效应管的源极和LED调光驱动电源负输出端接地，与暖色调灯珠连接场效应管的栅极与单片机输出PWM2端连接，与冷色调灯珠连接场效应管的栅极经过反相器与单片机的输出PWM2端连接；所述单片机的输入端连接触摸按键或电位器旋钮，用来控制开闭或者调节亮度和色温；本实用新型采用新的调光电路，解决了传统驱动电路调节色温的同时没有独立调光的硬件资源的问题。并实现了亮度和色温调节互不干扰的效果。

Description

基于人体生物节律的智能调色平板灯

技术领域

本实用新型属于涉及LED照明领域，尤其是涉及一种基于人体生物节律的智能调色平板灯。

背景技术

依据相关文献和实验表明，如果人在办公环境中一天内所处的照明环境，也能像太阳光那样，从早上到晚上经常变换与该时刻对应的太阳光的不同色温的话，能使人感到轻松，舒适，精神好，还能促进和改善人的脑力活动，提高工作效率。

在日本千叶大学的Katsuura实验室里，学者们开展了在一天之内不断变动室内光源色温对人体生理功能影响的研究。在自然界中一个对人体生物节律影响最为重要的因素就是太阳光，它与人的生活，劳动节奏有着密切的关系。然而在我们人类居住的地球上，太阳光的色温从早上到晚上是处于不断变化之中的，人的视觉经过长年累月和太阳光的相互作用，适应了这种变化。例如在晴天，太阳直射时其色温大约为 5500k，在此条件下，人们可以提高劳动热情，增加劳动效率，而在太阳将落，晚霞夕照时（色温约2000k左右），人们会有一种轻松的舒适感。一般天气晴朗时人们会感觉爽快，心情开朗，但当色温光源低于3000k时,人会有一种温暖的感觉。虽然在现代工业化的世界里，在一些场合人造光源部分或全部地取代了太阳光，但在其色温与太阳光相似时，人也会产生相似的感觉。科学家也发现了人造光源与自然光源相应的色温。因此设想：如果人在办公室一天内所处的照明环境，也能像太阳光那样，从早上到晚上经常变换不同色温的照明光源的话，对人体将是舒适的，也有利于提高工作效率，根据从早到晚太阳光的色温变化水平，比较了从早上7：30到晚上19：30经常随太阳光的变动而改变室内光源色温和固定光源色温（5000k）对人体生理作用的实验研究，结果发现：人在办公室内进行VCD作业时，脑电图上的alpha波指数在处于变化的光源色温下比在固定色温的光源下为高，人的舒适和轻松感也比较高，但主观感觉的嗜睡现象及紧张性比在固定光源时为低，因此结论：如能在一天之内像太阳光那样变换办公室内光源色温的话，对人体将是非常有利的。Dai等进一步报道：与固定的色温光源相比较，当人体暴露于与像太阳光那样可变性光源时，脑力活动时的嗜睡和疲劳感都低，计算问题的正确率高而费时短，脑电图上alpha波成份明显为高，而beta波的成份则明显为低。从此可以得出结论：如能像太阳光那样，在一天之内变换室内照明光源色温的话，能使人感到轻松，舒适，精神好，还能促进和改善脑力活动，提高工作效率。

当前市面上的照明产品只能实现亮度或者色温的单独调节，没有产品是从光源色温对人体生理功能影响入手的。相关文献和实验也证明了光源色温在不同时刻对人的影响也是不同的，在我们人类居住的地球上，人的视觉经过长年累月和太阳光的相互作用，适应了这种太阳光的色温变化。所以当该光源色温与该时刻太阳光的色温相同时，会使人感到轻松，舒适，精神好。本实用新型解决了这个问题，本平板灯可以依据时间自动调整光源色温，使之和该时刻太阳光的色温一致，进而促进和改善脑力活动，提高工作效率。

目前LED色温可调的灯具采用高低两种色温的白光LED阵列，两种LED阵列密集交替排布使两种色温充分混光，通过调节两种LED的驱动电流比例实现总体色温调节。图6给出了这种方法的结构框图。PWM1信号用来调节可调光电源P1的输出电流I1，I1驱动暖白LED阵列；PWM2信号用来调节可调光电源P2的输出电流I2，I2驱动冷白LED阵列。通过调节PWM1信号和PWM2信号的占空比比例来调节暖白LED阵列和冷白LED阵列的亮度比例，由于两种LED的充分混光，实现了灯具的整体色温调节。

上述方案有下述的缺点：难以实现亮度调节，目前大多成熟的LED可调光驱动电源方案中，电源管理芯片通常只提供一个调光引脚。采用上述常规方法调节色温时，为了实现双电源的输出电流比例的调节，两个电源的调光引脚都将被占用，因此没有实现调节色温的同时独立调光的硬件资源。本实用新型通过新的调光驱动方案解决了上述问题，实现了色温和亮度调节互不干扰的效果。

现有照明灯具大多数为点光源或者线光源，光源光线垂直的从发光面发出，发光面积不均匀，局部光源亮度过高还会对人眼造成一定的伤害。本实用新型采用侧导光技术，从面光源侧面发光，使得光源发光更加的均匀，不会对人眼造成损伤。

现有灯具光线变化多数是突变的，会使人产生不适感，本实用新型采用的是无极调光，支持电位器旋钮调光，光源启动和关闭时，光线都是柔滑的变化。

实用新型内容

本实用新型为了使人感到轻松，舒适，促进和改善人的脑力活动，提高工作效率；在调整光源色温的时候，不影响其亮度的变化；解决点光源和线光源发光不均匀，局部亮度过高的问题以及避免突变光对用户造成心理和视觉上的不适，提出一种基于人体生物节律的智能调色平板灯。

本实用新型采用的技术方案如下：

基于人体生物节律的智能调色平板灯，所述平板灯包括LED灯珠和单片机，其特征在于：所述LED灯珠由暖色调灯珠和冷色调灯珠两路组成，所述单片机的输出PWM1端与LED调光驱动电源输入调光端子连接，所述LED调光驱动电源的正输出端并连两路灯珠的正极，两路灯珠的负极分别接在两个场效应管的漏极上，两个场效应管的源极和LED调光驱动电源负输出端接地，与暖色调灯珠连接场效应管的栅极与单片机输出PWM2端连接，与冷色调灯珠连接场效应管的栅极经过反相器与单片机的输出PWM2端连接；所述单片机的输入端连接触摸按键或电位器旋钮，用来控制开闭或者调节亮度和色温。

进一步的，平板灯由LED组件、导光板、散射膜、反光纸组成。

进一步的，导光板四周设有LED组件，导光板的上平面设有散射膜，导光板下平面设有反光纸。

进一步的，所述LED组件上的暖色调灯珠和冷色调灯珠交替设置，LED组件为贴片式。

进一步的，所述导光板为透明的塑料聚甲基丙烯甲脂材料，导光板涂有白色反射点或注塑成小凸点。

进一步的，散射膜为半透明的聚碳酸酯材料。

进一步的，所述电位器旋钮为2个。

进一步的，所述单片机采用STC15W4K32S4单片机。

本实用新型具有以下有益效果：

本实用新型填补了照明市场的空白，创造性的从人体生物节律入手去研究光源，在我们人类居住的地球上，太阳光的色温从早上到晚上是处于不断变化之中的，人的视觉经过长年累月和太阳光的相互作用，适应了这种变化。本实用新型在保证光源亮度不变的情况下，可将其色温变化至该时刻对应的太阳光的色温值。可以使人感到轻松，舒适，并促进和改善人的脑力活动，提高工作效率。

本实用新型采用新的调光电路，解决了传统驱动电路调节色温的同时没有独立调光的硬件资源的问题。并实现了亮度和色温调节互不干扰的效果。

本实用新型采用侧导光技术实现了真正意义上的面光源，解决了点光源和线光源发光不均匀，局部亮度过高的问题。

本实用新型采用渐变PWM波无极调光，支持电位器旋钮调光，解决了突变光源会对人产生不适的问题。

附图说明

图1本实用新型电路框图。

图2本实用新型电路连接图。

图3本实用新型平板灯结构图。

图4时角差值和色温增量的关系图。

图5 运行逻辑图。

图6传统LED驱动结构框图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步的说明：

如图1-5所示，基于人体生物节律的智能调色平板灯，所述平板灯包括LED灯珠和单片机，其特征在于：所述LED灯珠由暖色调灯珠和冷色调灯珠两路组成，所述单片机的输出PWM1端与LED调光驱动电源输入调光端子连接，所述LED调光驱动电源的正输出端并连两路灯珠的正极，两路灯珠的负极分别接在两个场效应管的漏极上，两个场效应管的源极和LED调光驱动电源负输出端接地，与暖色调灯珠连接场效应管的栅极与单片机输出PWM2端连接，与冷色调灯珠连接场效应管的栅极经过反相器与单片机的输出PWM2端连接；所述单片机的输入端连接触摸按键或电位器旋钮，用来控制开闭或者调节亮度和色温。平板灯由LED组件、导光板、散射膜、反光纸组成。导光板四周设有LED组件，导光板的上平面设有散射膜，导光板下平面设有反光纸。所述LED组件上的暖色调灯珠和冷色调灯珠交替设置，LED组件为贴片式。所述导光板为透明的塑料聚甲基丙烯甲脂材料，导光板涂有白色反射点或注塑成小凸点。散射膜为半透明的聚碳酸酯材料。所述电位器旋钮为2个。所述单片机采用STC15W4K32S4单片机。

本实用新型的光源采用的是两路LED贴片灯珠，如图2所示，其中一路是暖色调的灯珠，另一路是冷色调的灯珠。LED调光驱动电源的输入调光端子连接在单片机上的一个I/O口（输出PWM1端），两路灯珠的正极接在LED调光驱动电源的正输出端，两路灯珠的负极分别接在两个场效应管的漏极上，暖色调灯珠端的场效应管栅极直接连接单片机的另外一个I/O口（输出PWM2端）上，冷色调灯珠端的场效应管栅极接在反相器的输出端，同时该反相器的输入端接在同样的I/O口（输出PWM2端）上，两个场效应管的源极和LED调光驱动电源负输出端共地，主控单片机采用的是STC15W4K32S4单片机，通过对单片机内部代码的编写，改变上述两个I/O端口输出的PWM的占空比，通过改变输出到LED调光驱动电源的PWM1的占空比，便可以改变驱动电源的输出电流，进而改变光源亮度。同时，通过改变PWM2的占空比，实现对暖色调LED阵列导通时间的控制，PWM2经反相器后得到反相的信号PWM3连接场效应管的栅极，可控制冷色调LED阵列的导通时间。PWM2为高电平时，PWM3为低电平，故暖色调LED阵列导通，冷色调LED阵列断开，反之亦然。调节PWM2的占空比来调节单位时间内暖色调LED阵列和冷色调LED阵列的导通时间比例，利用人眼存在暂留时间，实现了色温的变化效果。为了实现基于人体生物节律的智能调色，我们需要进行下述的步骤：

首先我们需要计算出不同地区在不同时期里的日出日落时间。先计算该地区在某一日的赤纬角，可以使用下式公式：

式中为赤纬角，n为所求日期在一年中的日子数。

每天日出及日落时刻，太阳处于地平面上，此时太阳高度角为零，有式：

式中为日出（日落）时角的绝对值，为该地区的纬度。

这样，我们可以计算出任何一个地区在某一日里的日出日落时间，接下来将以时角为光源色温变化的基准。

地球始终绕着地轴由西向东在自转，每转一周（360°）为一昼夜（24小时），因此时间可以用角度来表示，每小时相当于地球自传15°。用角度表示的太阳时叫太阳时角（简称时角），以表示，它是以一昼夜为变化周期的量，太阳午时=0°，上午取负值，下午取正值，每昼夜变化为±180°，每小时相当于15°，例如上午10点相当于=-30°；下午3点，=45°。

图4给出了不同时刻太阳光的色温变化。时角小于0时，横坐标表示该时刻相对于日出时刻时角差值的绝对值，时角大于0时，横坐标表示该时刻相对于日落时刻时角差值的绝对值。纵坐标表示相对于日出（日落）时刻太阳色温（2000k）的增量，其增量最大变化到3400k不再变化（注：因为中午午时那一时间段内太阳光色温基本恒定，大约为5400k），数据拟合函数为：

y=75.919x+130.01

举例：A地区在某一天太阳升起时间为6点，对应的时角为-90°，上午8点对应的时角为-60°，与日出时角相差的绝对值为30°，带入上述函数得色温增量为2407k，则太阳光此时色温为4407k，下午5点对应的时角为75°，与日落时角相差的绝对值为15°，带入上述公式得色温增量为1269k，则太阳光此时色温为3269k。

测量并得出PWM2的占空比和平板灯色温的关系。

如图5所示，至此我们完成了基于人体生物节律的智能调色方案的全部步骤，现总结如下：单片机首先计算出该地区在某天的日出日落时角，并且计算出该时刻对应的时角，利用数据拟合函数关系式，求出该时刻太阳光的色温，再由PWM2的占空比和平板灯色温的关系，得出PWM2的占空比，单片机即时改变PWM2的占空比来实现即时调色温的功能，使之与该时刻对应的太阳光的色温值一致。

侧导光平板灯的基本原理是利用光全反射原理以有效地传输光，并将线光源转变为面光源，光全反射原理:当光线从折射率高的介质向折射率低的介质(如塑料到空气)折射时，被折射的光以比入射光线较斜的角度发射，当入射角大于某一角度时，光线不能折射入空气中而全部发生向内反射的现象，称为全反射或内反射，当折射角等于90°时的入射角称为临界角。

如图3所示，平板灯由LED组件1、导光板2、散射膜3、反光纸4组成。冷暖贴片LED阵列分别并列两排，LED发光面正对导光板侧面，冷暖两排LED阵列紧贴在导光板的四周。导光板是一块透明的塑料聚甲基丙烯甲脂(PMMA)材料，底面涂上白色反射点或注塑成小凸点。散射膜是一张半透明的聚碳酸酯材料，起到降低亮度，提高均匀性的作用。反光纸是一张光滑白色的纸片，起到光反射、减少光线泄漏的作用。对于PMMA材料的导光板，其透光率高达92%，雾度很小，具有很小的光吸收性，光可以沿着板材传递很长距离而衰减很小。而导光板的目的是使光线从表面折射出去形成一个光亮均匀的面光源。因此导光板的技术原理一方面是利用光全反射原理进行光的传输，另一方面是反其道而用之，破坏光全反射的条件，干扰光的全内反射光学要素，改变光线的光路，使光线从导光板的表面引出，形成面光源。具体设计是在导光板的底面印刷白色网点或注塑成小凸点，使光线在点上产生漫反射，一部分光线以小于临界角的角度入射到导光板的上面并折射出去，一部分光线发生全反射回到导光板内，这些光线在导光板的上边缘发生部分反射又回到底面的点上。这个过程不断重复发生，直到光线有的从表面折射出去，有的被导光板吸收，有的损失在某一界面上，从表面折射出去的光线为人眼所见，这一部分光线真正为平板灯做出贡献。

渐变的调节PWM波的占空比，让光源亮度从无到最亮（表现为PWM波占空比从0到100），可以通过对单片机内部代码的编写来实现，以C语言为编写语言，使用一个for循环，0到100占空比的变化分100次来实现，但是每两次变化之间的时间间隔比较小，人眼无法察觉，此时呈现在人眼里面的便是无极调光，光线柔滑缓慢的变化，通过触摸按键可以实现平板灯的缓慢启动和缓慢关闭。本实用新型有两个电位器旋钮，其中一个是用来调节平板灯的亮度，另一个是用来在无太阳的夜晚时调节其色温的，可以使之达到用户想要的色温和亮度，实现方法如下：单片机对电位器旋钮分得的电压值进行AD转换，将AD转换后的数值通过函数关系对应于平板灯的光通量或者色温值，再转换为对应的PWM1和PWM2的占空比，单片机即时改变并输出相应占空比。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.基于人体生物节律的智能调色平板灯，所述平板灯包括LED灯珠和单片机，其特征在于：所述LED灯珠由暖色调灯珠和冷色调灯珠两路组成，所述单片机的输出PWM1端与LED调光驱动电源输入调光端子连接，所述LED调光驱动电源的正输出端并连两路灯珠的正极，两路灯珠的负极分别接在两个场效应管的漏极上，两个场效应管的源极和LED调光驱动电源负输出端接地，与暖色调灯珠连接场效应管的栅极与单片机输出PWM2端连接，与冷色调灯珠连接场效应管的栅极经过反相器与单片机的输出PWM2端连接；所述单片机的输入端连接触摸按键或电位器旋钮，用来控制开闭或者调节亮度和色温。

2.根据权利要求1所述的基于人体生物节律的智能调色平板灯，其特征在于：平板灯由LED组件（1）、导光板（2）、散射膜（3）、反光纸（4）组成。

3.根据权利要求2所述的基于人体生物节律的智能调色平板灯，其特征在于：导光板四周设有LED组件，导光板的上平面设有散射膜，导光板下平面设有反光纸。

4.根据权利要求3所述的基于人体生物节律的智能调色平板灯，其特征在于：所述LED组件上的暖色调灯珠和冷色调灯珠交替设置，LED组件为贴片式。

5.根据权利要求3所述的基于人体生物节律的智能调色平板灯，其特征在于：所述导光板为透明的塑料聚甲基丙烯甲脂材料，导光板涂有白色反射点或注塑成小凸点。

6.根据权利要求3所述的基于人体生物节律的智能调色平板灯，其特征在于：散射膜为半透明的聚碳酸酯材料。

7.根据权利要求1所述的基于人体生物节律的智能调色平板灯，其特征在于：所述电位器旋钮为2个。

8.根据权利要求1所述的基于人体生物节律的智能调色平板灯，其特征在于：所述单片机采用STC15W4K32S4单片机。